Понятие, факторы и причины развития карста (на примере пещеры Хэйтэй Забайкальского края)
РЕФЕРАТ
Понятие, факторы и причины развития карста (на примере пещеры Хэйтэй Забайкальского края)
г.
Содержание
Введение
2. Общая часть
2.1 Понятие и факторы карста
2.2 Причины развития карста
2.3 Техногенные факторы и условия возникновения
2.4 Основные закономерности развития карста
3. Роль карста при инженерно-геологической и меры борьбы
3.1 Оценка воздействия разработки карстового комплекса пещеры Хэйтэй
Заключение
Список литературы
Введение
Геологическая деятельность подземны вод многообразна. Они весьма чутко реагируют на воздействие сооружений, производство строительных работ и использование территории. Практически все геологические и инженерно-геологические процессы происходят под большим или меньшим влиянием подземных вод, но развитие процессов выщелачивания и карста в растворимых породах. Обычно процесс возникает с выщелачивания солей или нестойких по отношению к воде компонентов породы, разрушаются структурные связи, а затем переходит в начальную и зрелую стадию карста.
Методика изучения карста в инженерно-геологических целях основывается на следующих положениях:
. Закономерности, интенсивность, степень распространения современной закарстованности существенно различны в карбонатных, меловых, гипсовых и соляных толщах. На карстовые процессы большое влияние оказывают: фациально-литологическая изменчивость пород, их растворимость, геологическая история развития и др.
. Комплексные гидрогеологические и инженерно-геологические исследования должны установить региональные и локальные закономерности карста. Изучение гидрогеологических факторов и скорости развития карста - наиболее важный раздел исследований.
. По материалам комплексных исследований оценивается степень и распространение закарстованности массива пород, на основе которых определяются опасность карста и система укрепительных и защитных мероприятий, а также конструкции и типы фундаментов сооружений.
При изучении закарстованности территории и массивов пород и процессов карстообразования наряду со специализированной геологической съемкой - ведущим методом работ на начальной и первой детальной стадиях изысканий, большее применение и значение приобретают различные опытные гидрогеологические и геофизическим работы, режимные наблюдения, объемы которых совместно с бурением возрастают по мере увеличения детальности исследований. Существенна роль наблюдений за уровенным и химическим режимами поверхностных и подземных вод, за действием техногенных факторов, в первую очередь за откачками природных вод и за поступлением агрессивных технических вод в карстующийся массив для выявления гидродинамических зон, интенсивности растворения пород и составления водного баланса.
2. Общая часть
2.1 Понятие и факторы карста
При растворении и выщелачивании поверхностными и подземными водами известняков, доломитов, мела, мергелей, гипсов, ангидритов, каменной и калийной солей на поверхности земли образуются воронки, провалы и другие формы рельефа, а в толще горных пород - разнообразные пустоты, каналы, пещеры. Все образовавшиеся таким путем поверхностные и подземные формы и называют карстом.
Возникает карст в результате развития геологического карстового (коррозионного) процесса (растворение, разрушение), который проявляется в образовании своеобразных форм рельефа и в целом карстового рельефа, в образовании пустот в карстующихся породах и в формировании определенного типа подземных вод - карстовых вод с характерными для них особенностями движения, режима и химизма.
Карст возникает в тех районах, где распространены практически растворимые в воде горные породы - карбонатные, сульфатные, каменная и калийная соли. В соответствии с этим различают карст карбонатный, сульфатный и соляной. В других породах карст образовываться не может. Поэтому, когда еще выделяют "глиняный карст" по сходству образующихся форм рельефа на глинистых породах с карстовыми, совершают ошибку так как не учитывают сущности карстового процесса и геологическую обстановку, при которой он получает развитие.
Ф.П. Саваренский (1934) впервые сформулировал, а Д.С. Соколов (1962) раскрыл и обосновал основные условия развития карста. На активизацию или замедление карстовых процессов влияют многочисленные природные и техногенные факторы, удельная роль которых в разных комплексах пород, структурах, гидрогеологических условиях и климатических зонах различна. Наибольший интерес представляют те компоненты среды и действующие факторы, которые так активизируют карстовые процессы, что возникает опасность для сооружений и затрудняется использование территории. К ним относятся:
. неоднородность литологического строения и состава карстующихся пород, наличие в них нерастворимых слоев и примесей, текстурные особенности;
. трещиноватость массива пород (литогенетическая, тектоническая, экзогенная и иная), ее интенсивность и пространственное распространение;
. тектонические структуры - складчатые и особенно разрывные, определяющие пути движения основных потоков подземных вод;
. новейшая геологическая история районов, характер и интенсивность неотектонических движений, обусловливающих формирование рельефа и положение местных и региональных базисов дренирования подземных вод;
. рельеф карстовых районов, наличие покрова четвертичных глинистых пород и растительности, влияющих на поверхностный сток и инфильтрацию атмосферных осадков;
. климатогидрологические факторы, отражающиеся на гидрогеологической обстановке карстующихся массивов пород;
. техногенные факторы, разнообразные по характеру влияния, интенсивности и последствиям, изменяющие уровни и режим подземных вод, их состав, агрессивность и водообмен.
Проблема изучения карста в инженерной геологии занимает ведущее положение. Закарстованность массива пород и карстовые процессы ранее нередко были прямым противопоказанием для возведения ответственных сооружений. По мере познания закономерностей карста, особенно его интенсивности, опасность стала оцениваться более объективно, и в настоящее время строительство в карстовых районах не противопоказано. Однако из этого следует, что карст перестал быть сложным и даже опасным геологическим процессом, которым можно пренебречь, детально не изучать; за подобное несерьезное отношение иногда приходилось расплачиваться, особенно в районах распространения легкорастворимых пород.
2.2 Причины развития карста
Карст возникает в результате действия поверхностных и подземных вод на практически растворимые горные породы. Однако он может и не возникнуть или протекать очень медленно, несмотря на соприкосновение вод с растворимыми или даже легкорастворимыми горными породами. Для того, чтобы коррозионный карстовый процесс получил развитие, Необходимо определенные причины нарушения химического равновесия между действующими водами и растворяющимися породами. Условия, при которых возникает нарушение такого химического равновесия и происходит реализация коррозионного процесса, и следует назвать причинами образования карста.
Впервые довольно полное определение причин образования карста дал Ф.П. Саваренский (1933 г.).Д.С. Соколов, развивая идеи Ф.П. Саваренского, дал наиболее полное, точное и теперь, по-видимому, общепризнанное определение условий образования карста. Этими условиями являются: наличие растворимых горных пород, их водопроницаемость, движущиеся воды и их растворяющая способность. Сочетание этих условий вызывает нарушение химического равновесия в системе растворимые горные породы - вода и неизбежность возникновения и развития коррозионного процесса и образования карста.
Гидродинамическая зональность каста прослеживается в вертикальном и горизонтальном направлениях, обусловленная рельефом, литологическим разрезом массива пород и положением базиса дренирования карстовых вод. В общем случае в однородном по литологии и водопроницаемости карстующемся массиве равнинно-платформенных областей выделяются гидродинамические зоны (рис.1). Вертикальные (по Д.С. Соколову): I - аэрации; II - сезонных колебаний; III - полого водонасыщения с обособлением под зоны непосредственной разгрузки у дренирующего водотока; IV - глубокого обычно замедленного движения подземных вод. Горизонтальные (по А.Г. Лыкошину): А - присклоновую; Б - придолинную и В - приводораздельную. Указанная схема гидродинамической зональности развития карста относится к постоянному уровню дренирования подземных вод; если он изменяется, например, при эрозионном врезе из-за тектонического поднятия карстующегося массива, то это влечет формирование новой зональности, обычно наложенной на предыдущую.
Интенсивность карстовых процессов неодинакова в разных зонах, что обусловлено различным водообменном в них и растворяющей способностью подземных вод, изменяющейся на путях движения. Наиболее энергично карстовые процессы происходят в зонах: сезонных колебаний уровня подземных вод, в которые периодически и глубоко в массив проникают маломинерализованные воды реки или водохранилища, где за время низких уровней накопились различные более растворимые продукты выветривания; присклоновой, в которой большие градиенты и скорости инфильтрации определяют интенсивный обмен ненасыщенных солями вод; непосредственной разгрузки под или вблизи дренирующего русла в том случае, если подземные воды на пути к нему не потеряли растворяющей способности. Наиболее полно гидродинамическая зональность проявляется в зрелую стадию развития карста.
Неотектонический режим отражается в развитии карстовых процессов, что позволяет судить об их возрасте, закономерностях и интенсивности на разные временные этапы. В первый этап, конец миоцена - начало плиоцена, в связи с поднятиями произошел глубокий врез и в палеозойский известняках бортов долины сформировались соответствующие зоны карста. Второй этап, плиоценовый, характеризуется погружением территории, заполнением древней долины аллювиальными и ингрессионными песчано-глинистыми отложениями, уменьшением водообмена и практически затуханием карстовых процессов при слабой боковой эрозии рек и смыва со склонов.
Влияние климата на развитие карста существенно и проявляется по нескольким направлениям. От количества и распределения атмосферных осадков наряду с рельефом и с особенностями геологического строения зависит интенсивность водообмена, а следовательно, и агрессивность инфильтрационных вод в верхних гидродинамических зонах, режим подземных вод и мощность зоны сезонного обводнения в карстующихся породах. Температурный режим поверхностных и подземных вод, деятельность бактерий также обусловлена климатическими условиями и влияют на развитие карстовых процессов. Таким образом, климатические факторы имеют зональный характер, оказывают наибольшее воздействие на карст в верхних частях массива, которое с глубиной ослабевает. Геоморфологический облик карстовых районов и интенсивность современных процессов существенно различны в нивальных, умеренных, аридных и тропических областях, и в этом проявляется роль климата. От мощных толщ известняков в тропических областях, например, во Вьетнаме, Средней Азии и т.д. сохранились обособленные останцы более прочных и труднорастворимых разностей известняков, чаще рифовые массивы, а слоистые пачки значительно денудированы (рис.3. В районах многолетнемерзлые пород интенсивность карстовых процессов значительно снижены.
2.3 Техногенные факторы и условия возникновения
Инженерно-хозяйственная деятельность человека во многих случаях активно действует на карстовые процессы, изменяя локальную закарстованность массива пород и степень опасности. Влияние техногенных факторов на карст в карбонатных и сульфатных породах и солях существенно, но различно. Сопоставление измененных схем развития карста с ранее существовавшими позволяет подойти к прогнозу карста в условиях эксплуатации сооружений и территорий. Изменение гидродинамической обстановки, которая активизирует карстовые процессы, обусловлено возникновением сосредоточенны фильтрационных потоков вод при: а) создании высоконапорных плотин и водохранилищ; б) интенсивных длительных эксплуатационных откачках подземных вод с большими понижениями из шахт и карьеров, а также, но в меньшей степени, из строительных котлованов и подземных выемок; в) нагнетании промышленных и хозяйственных вод, обычно агрессивных; г) длительных утечках из каналов различного назначения и водопроводных сетей.
Обнажение карстующихся пород на склонах и в искусственных выемках при строительно-планировочных работах, удаление растительности, почвы и покровного слоя суглинков, уменьшающего инфильтрацию атмосферных осадков.
Карст встречается в самых различных географических зонах, однако, наибольшее развитие он получает в условиях влажного и избыточно влажного климата. В условиях сухого климата, наоборот, при малом количестве осадков и большом испарении влаги наблюдается исключительно малая промытость горных пород в приповерхностных горизонтах, что не способствует развитию карста. Свидетельством такого положения в зонах сухого климата являются не только часто большая засоленность почв и подпочвенных горизонтов горных пород, но и нередко встречающиеся обнажения соленосных пород, содержащих слои, горизонты и залежи легкорастворимых солей. Все перечисленное, несомненно, указывает на то, что в одних случаях климат способствует развитию карста, а в других сдерживает, тормозит этот процесс.
На равнинах карстующиеся породы чаще прикрыты толщами рыхлых или других более молодых пород, и поэтому поверхностные формы карста здесь не имеют большого разнообразия, хотя возникают иногда неожиданно, катастрофически быстро в виде провалов и оседаний. Только на участках, прилегающих к склонам речных долин, в зоне разгрузки и разуплотнения горных пород, облегчаются условия движения подземных вод и соответственно создаются более благоприятные условия для развития карста.
Заканчивая краткое рассмотрение условий, способствующих развитию карста, необходимо обратить внимание также на роль инженерной и хозяйственной деятельности человека. Строительство подпорных гидротехнических сооружений, интенсивная откачка воды из недр Земли, сброс производственных агрессивных вод в толщи пород и многие другие действия человека создают условия, способствующие развитию карста.
карст пещера хэйтэй забайкальский
2.4 Основные закономерности развития карста
Геологически вполне закономерно, что карст в одних районах распространен широко и проявляется ярко, в других распространен ограниченно, а в третьих отсутствует вообще.
Однако на таком общем геологическом фоне можно выделить и более конкретные закономерности его распространения, и в первую очередь, необходимо обратить внимание на повсеместно наблюдающееся уменьшение закарстованности горных пород с глубиной. Причина этой закономерности вполне определена и заключается в уменьшении скважности и водопроницаемости горных пород с глубиной, в уменьшении градиентов напора, интенсивности водообмена, степени агрессивности и др. Естественно, что изменения степени закарстованности горных пород с глубиной не везде одинаковы, что зависит от орографических условий (горные и равнинные районы), особенностей геологического разреза, условий залегания карстующихся пород и других факторов, но общая тенденция затухания карста с глубиной наблюдается действительно везде.
3. Роль карста при инженерно-геологической и меры борьбы
Наличие карста в том или ином районе всегда вызывает сомнение в устойчивости местности, проектируемых и строящихся сооружений. Карст очень часто вызывает большие осложнения при проведении строительных и горных работ, обусловливает большие притоки воды в подземные выработки и строительные котлованы или большие утечки воды под плотинами. Защита от опасных последствий развития карста достигается осуществлением разнообразных дорогостоящих мероприятий. Все это составляет проблему особых условий строительства сооружений в карстовых районах.
Характер и объем противокарстовых мероприятий зависит от конкретных инженерно-геологических условий территории и различны для промышленно-городских зданий, авто - и железных дорог, гидротехнических подземных сооружений и т.д. в практике проектирования и строительства в карстовых районах применяются защитные мероприятия. Заполнение (тампонирование) карстовых полостей и трещин песком, мелким щебнем и цементным раствором с помощью засыпки и нагнетания, для поддержания свода пещеры и предотвращения его обрушения на участке расположения сооружения. Кроме того, при заполнении полостей слабофильтрующим материалом возможно формирование новых путей движения подземных вод и активизация карста в прилегающих толщах растворимых пород. Требуется детальный анализ эффективности данного мероприятия как временного, так и постоянного действия. (рис.4).
Методы борьбы с карстовыми процессами в соляных толщах более сложные из-за легкой растворимости этих пород. Одним из методов, применяемых при открытой разработке соляных месторождений, является создание гидрозавес различных типов. При гидрогеологическом строении, при подземной разработке солей или в случае предотвращения возможности выщелачивания и карста в соляной пачке или купола создается другая система гидрозавес, в том числе путем искусственного насыщения подземных вод рассолами, делающими их неагрессивными. Например: процессы растворения с участием углекислоты СО2. углекислота - важнейший компонент подземных вод, определяющий их способность растворять первичные минералы и породы карбонатного состава. Растворение таких минералов и пород происходит по обобщенной схеме:
СаСО3+Н2О+СО2=Са2++2НСО3-
В условиях равновесия для существования в растворе определенных концентраций НСО3 - необходимо присутствие определенного количества свободной углекислоты, называемой равновесной. Если содержание свободной углекислоты в воде больше, чем нужно для равновесия, то при соприкосновении такой воды с СаСО3 (мв) произойдет его растворение, т.е. реакция пойдет слева направо. Процесс растворения будет продолжаться до тех пор пока не наступит равновесие. Если же содержание свободной углекислоты в воде окажется меньшим, чем нужно для равновесия, то, наоборот, из воды будет выделяться СаСО3 (мв), т.е. указанная реакция будет идти справа налево до тех пор, пока не наступит равновесие.
Таблица 1
Количество НСО3 - находящееся в равновесном состоянии со свободной СО2
Избыточную часть свободной углекислоты, которая расходуется на реакцию с СаСО3 и обеспечивает его растворение, называют агрессивной углекислотой. Иными словами - это углекислота, способная переводить в раствор карбонат кальция. Существуют различные качественные и количественные расчетные методы установления количества агрессивной углекислоты в подземных водах. В таблице 1, по данным И.Ю. Соколова, приведены расчетные данные для определения равновесных концентраций СО2 для различных содержаний НСО3-, позволяющие устанавливать присутствие агрессивной углекислоты в подземных водах.
Приведем пример использования этой таблицы: в воде определено НСО3 - 244 мг/л и СО2 (своб) 40 мг/л. Из данных, приведенных в таблице, следует, что 40 мг/л СО2 (своб) находится в равновесии с 320 мг/л НСО3-, а в исследуемой воде количество НСО3 - значительно меньше, значит вода содержит агрессивную СО2.
Program COcrt;HCO: real;, CO: real;(HCO);(CO);=CO*S;i>HCO THEW Writeln ("агрессивная СО");i=HCO THEW Writeln ("равновесная");i<HCO THEW Writeln ("неагрессивная СО");;.
Вывод: значит вода содержит неагрессивную СО2
3.1 Оценка воздействия разработки карстового комплекса пещеры Хэйтэй
На основании полученных результатов предложены следующие мероприятия, позволяющие предотвратить разрушение карстового комплекса пещеры Хээтэй:
§расстояние между взрываемыми скважинами и пещерой должно быть не менее 200 м;
§уменьшение массы зарядов по мере приближения фронта горных работ к пещере;
§коротко-замедленное взрывание с интервалами замедления 20-50 мс;
§продвижение фронта горных работ преимущественно в юго-западном или северо-восточном направлении, т.е. ряды взрываемых скважин должны быть ориентированы на пещеру;
§использование наименее сейсмоактивных взрывчатых веществ - игданитов. гранулитов или граммонитов;
§применение конструкций зарядов с инертными, или воздушными промежутками;
§уменьшение диаметра скважин до 125 мм.
Важное значение имеют также мероприятия, направленные на сохранение температурного и гидрогеологического режимов пещеры. В связи с тем, что температурный режим зависит от условий циркуляции воздуха и альбедо поверхности, необходимо:
§поддерживать вход в пещеру в открытом состоянии;
§не допускать длительного пребывания в пещере источников тепла:
§исключить возможность зачернения поверхности земли вокруг карстового комплекса вследствие выгорания естественного растительного покрова.
Так как разрушение свода пещеры в момент взрыва может произойти в результате заполнения карстовой полости водой, необходимо также следить за изменением уровня подземных вод. а в случае его значительного повышения - предусмотреть мероприятия по его понижению.
Применение сейсмобезопасных. геотермических и гидрогеологических мероприятий позволит сохранить уникальный памятник природы и успешно эксплуатировать Усть-Борзинское месторождение известняков.
Заключение
Проблема изучения карста в инженерной геологии занимает ведущее положение. Закарствованность массива пород и карстовые процессы ранее нередко были прямым противопоказанием для возведения ответственных сооружений. По мере познания закономерностей карста, особенно его интенсивности, опасность стала оцениваться более объективно, и в настоящее время строительство в карстовых районах не противопоказано. Однако, из этого не следует, что карст перестал быть сложным и даже опасным геологическим процессом, которым можно пренебречь, детально не изучать; за подобное несерьезное отношение иногда приходилось расплачиваться, особенно в районах распространения легкорастворимых районов.
Карст возникает в тех районах, где распространены практически растворимые в воде горные породы - карбонатные, сульфатные, каменная и калийная соли. Мероприятия, позволяющие предотвратить разрушение пещеры Хээтэй.
Список литературы
1.Золотарев Г.С. "Инженерная геодинамика" 2007 г.
2.Ломтадзе В.Д. "Инженерная геология" 2007 г.
.Серпухов В.И., Билибина Т.В., Шалимов А.И. "Курс общей геологии" 2009 г.
.Сергеев Е.М. "Инженерная геология" 2005 г.